一種基于缺齒結(jié)構(gòu)的齒輪型巨磁阻編碼器的研制

竇珂　姜浩　董昊

摘? 要：文中研制了一種基于缺齒結(jié)構(gòu)的齒輪型巨磁阻編碼器。所研制的齒輪型編碼器由獨立的磁感應(yīng)讀頭和齒輪兩部分組成，其中齒輪上設(shè)計有一個半缺齒結(jié)構(gòu)。磁感應(yīng)讀頭采用巨磁阻傳感器作為敏感元件，在永磁體提供的偏置磁場下，能夠采集隨軸轉(zhuǎn)動的齒輪對周圍磁場產(chǎn)生的擾動信號，后經(jīng)信號處理可輸出包含齒輪的轉(zhuǎn)動位置、速度和零位信息的弦波信號。所研制的齒輪型巨磁阻編碼器不僅具有精度高，可靠性好等優(yōu)點，還解決了光電編碼器碼盤易碎、精度要求高，易受油污、粉塵影響等問題，以及克服了傳統(tǒng)的一體式磁性編碼器磁環(huán)加工工藝復(fù)雜的缺點。

關(guān)鍵詞：巨磁阻;齒輪型;缺齒

0 引 言

編碼器是一種用于檢測機(jī)械運動的速度、位置、角度、距離或計數(shù)的傳感器，隨著工業(yè)自動化行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控和伺服系統(tǒng)等工控設(shè)備的大量應(yīng)用，以及機(jī)械設(shè)備數(shù)控精度要求的不斷提高，編碼器產(chǎn)品的種類不斷增加，應(yīng)用比例也得到大幅度的提升，整個市場規(guī)模在迅速擴(kuò)大[1-2]。目前常用的編碼器主要有光電編碼器和磁性編碼器兩種。

光電編碼器是由光電接收元件和玻璃碼盤組成的。光電編碼器工作時是通過把發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過碼盤上均勻的切割線后，被光電接收元件感應(yīng)，而產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，該信號再經(jīng)后續(xù)電路處理，可輸出有效信號。但光電編碼器的玻璃碼盤易碎，在抗振動方面具有先天性的不足;而且光線易受粉塵、油污等影響，不能適應(yīng)于惡劣環(huán)境，防護(hù)等級低;同時由于其精度與碼盤刻線有關(guān)，想要提高精度就必須增加碼盤刻線，要求的加工精度就越高，難度也就越高[3-4]。

磁性編碼器是由磁感應(yīng)讀頭和磁環(huán)組成的，工作時將磁環(huán)與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸做圓周轉(zhuǎn)動時，磁環(huán)上的磁極對由遠(yuǎn)而近地靠近磁感應(yīng)讀頭時，會使其周圍的磁場環(huán)境發(fā)生發(fā)化。磁感應(yīng)讀頭去感應(yīng)磁場的變化，將磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向和大小的變化轉(zhuǎn)化為電阻或者電壓的變化，然后通過后續(xù)的信號處理電路輸出角度值。磁性編碼器受外界污染影響小，與光電編碼器相比具有獨特的優(yōu)勢。然而，磁環(huán)是由鐵磁性粉末和作為粘結(jié)劑用的塑性物質(zhì)通過注塑、壓鑄或鑄造等工藝加工成型的柱形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，工藝上很難控制材料的均勻性，磁化位置也較難精準(zhǔn)控制，使得磁環(huán)的磁矩大小和強(qiáng)弱、以及均勻性較難進(jìn)一步得到提高[5-7]。

文中提出了一種新型磁編碼器，該編碼器不含玻璃碼盤或磁環(huán)，是由巨磁阻磁感應(yīng)讀頭和一個獨立的齒輪組成，解決了編碼器的光碼盤和磁環(huán)加工精度和加工難度的問題。該編碼器的齒輪上設(shè)計有一個缺齒，磁感應(yīng)讀頭是采用巨磁阻芯片作為敏感元件，它可以靈敏地感應(yīng)該齒輪在轉(zhuǎn)動過程中對周圍磁場的影響，從而獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)等信息。文中詳細(xì)介紹了該編碼器的結(jié)構(gòu)組成，工作原理，以及實現(xiàn)方式，并通過實驗的方法驗證了該編碼器的工作性能。

1齒輪型磁性編碼器整體結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計的基于巨磁阻的齒輪型磁性編碼器主要是由巨磁阻磁感應(yīng)讀頭和齒輪兩部分組成，如圖1所示，1為磁感應(yīng)讀頭，2為齒輪。其中，磁感應(yīng)讀頭采用巨磁阻芯片作為敏感元件，巨磁阻（Giant Magneto

-Resistance，簡稱GMR）效應(yīng)是1988年在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)的各向異性效應(yīng)，相對于傳統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)（約1-3%）大一個數(shù)量級以上?；诰薮抛栊?yīng)制成的巨磁阻芯片具有靈敏度高，相同條件下輸出信號大，響應(yīng)頻率高、體積小等優(yōu)點。GMR傳感芯片是由四個GMR電阻以惠斯通電橋的形式連接起來構(gòu)成的，這種橋式結(jié)構(gòu)可以提供較好的溫度補(bǔ)償，溫度漂移較小。

齒輪上特別設(shè)計了一個半缺齒結(jié)構(gòu)，用于記錄齒輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

2齒輪型磁性編碼器具體設(shè)計

2.1工作原理

如圖2所示，分離式齒輪型磁性編碼器的磁感應(yīng)讀頭是由雙路集成GMR梯度傳感器芯片1、單路GMR梯度傳感器芯片2、信號處理電路板3和永磁體4等部分組成，齒輪5是由導(dǎo)磁材料（鋼鐵材料）做成的，易被永磁體4磁化。

（1）齒輪的模數(shù)為m，齒數(shù)為Z，齒間距λ為mπ，齒厚為b。齒輪上有一個齒設(shè)計成半缺齒結(jié)構(gòu)（圖2中紅色箭頭處），即該齒的厚度是b/2，用于記錄齒輪的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

（2）永磁體采用鐵氧體材料，固定在信號處理電路板后面的相應(yīng)位置，為雙路GMR傳感器和單路GMR傳感器提供偏置磁場。

（3）雙路集成GMR梯度傳感器芯片采用裸芯綁定技術(shù)焊接在信號處理電路板上，并且在正對齒輪齒的位置，用于采集齒輪的轉(zhuǎn)速。該芯片里面包含A、B兩路GMR全橋，間距為（1/4+N）λ，其中每個全橋的橋臂間距為（1/2+N）λ（其中，N=0，1，2…）。它們分別用于采集隨軸轉(zhuǎn)動的齒輪對周圍磁場引起的磁場變化量，即齒輪每轉(zhuǎn)過一個齒，都會輸出一個相應(yīng)的弦波信號，兩路輸出信號呈90°相位差。

（4）單路GMR梯度傳感器也是采用裸芯綁定技術(shù)焊接在信號處理電路板上，并且在正對齒輪缺齒的位置。該芯片用于記錄齒輪旋轉(zhuǎn)的位置和圈數(shù)，GMR全橋的橋臂間距為Nλ（其中，N=0，1，2…），在缺齒部位輸出正弦信號，其他部位沒有信號輸出。

雙路集成GMR梯度傳感器芯片和單路GMR梯度傳感器芯片的磁敏感軸方向都是沿齒輪運動方向。被磁化的齒輪在轉(zhuǎn)動過程中會使分布在GMR梯度傳感器芯片周圍的磁場信號發(fā)生變化：當(dāng)齒輪的凸齒正對著GMR梯度傳感器芯片時，分布在GMR梯度傳感器芯片上的磁場方向垂直于磁敏感軸;隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，凸齒逐漸遠(yuǎn)離敏感芯片時，分布在GMR梯度傳感器芯片上的磁場會沿著磁敏感軸向上形成一個分量;當(dāng)凹齒正對著GMR梯度傳感器芯片時，分布在GMR梯度傳感器芯片上的磁場方向又逐漸恢復(fù)垂直于磁敏感軸;當(dāng)下一個凸齒逐漸接近GMR梯度傳感器芯片時，使得分布在GMR梯度傳感器芯片上的磁場沿著磁敏感軸向下形成一個分量。兩路GMR梯度傳感器芯片可以分別靈敏地感應(yīng)該微弱磁場信號的變化，并把它轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的電壓信號，再把該信號經(jīng)過放大、調(diào)零電路處理之后可以得到一個包含齒輪轉(zhuǎn)速、方向、位置和圈數(shù)的弦波信號。

如果磁感應(yīng)讀頭輸出的表示齒輪轉(zhuǎn)速和圈數(shù)的弦波信號頻率分別用f1、f2表示，齒輪的轉(zhuǎn)速用n（r/min）表示，齒輪的齒數(shù)用Z表示，則有：

2.2電路設(shè)計

該分離式齒輪型磁性編碼器的電路部分根據(jù)功能不同分為信號采集部分和信號處理兩大部分，如圖3所示。

雙路集成GMR梯度傳感器和單路GMR梯度傳感器，其內(nèi)部都是電阻橋式結(jié)構(gòu)組成的，能夠靈敏地檢測隨軸轉(zhuǎn)動的齒輪對周圍引起的磁場梯度變化量，但由于各橋路電阻的微小差異，電阻橋的輸出信號并不是完全平衡的，有一定的偏置信號存在。因此，信號采集模塊中，在每一路GMR傳感器的信號輸出端都設(shè)計有特殊處理電路，以調(diào)節(jié)因橋電阻不平衡引起的偏置電壓，使其為零。

（2）信號處理

信號處理部分的功能則是通過對上述GMR梯度傳感器采集到的信號進(jìn)行相應(yīng)放大、反相處理后，可以輸出包含齒輪轉(zhuǎn)動速度、方向、位置和圈數(shù)等信息的3路互補(bǔ)弦波模擬信號，分別是A、/A，B、/B，Z和/Z。通過A或/A或B或/B信號的頻率計算可知當(dāng)前齒輪的轉(zhuǎn)速;通過A與B相位的前后，可判定齒輪的轉(zhuǎn)動方向;通過Z或/Z的波形可知當(dāng)前齒輪的位置，根據(jù)其頻率可知當(dāng)前齒輪每分鐘轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。

3 實驗與分析

文中設(shè)計的分離式齒輪型磁性編碼器，其雙路GMR梯度傳感器間距為0.5mm，單路GMR梯度傳感器間距為1mm，齒輪的模數(shù)為0.35，齒數(shù)為64。在實驗室的轉(zhuǎn)速測試平臺上對文中設(shè)計的分離式齒輪型磁性編碼器進(jìn)行測速實驗，設(shè)定齒輪轉(zhuǎn)速為60 r/min，根據(jù)公式（1）和（2）計算可知，f1和f2分別為64Hz和1Hz。

測量結(jié)果如圖4所示，圖4（a）是磁感應(yīng)讀頭輸出的A路正反向弦波信號A和/A， 二者的相位差近似等于180°;與設(shè)定指標(biāo)一致，頻率為64.1 Hz，與設(shè)定齒輪轉(zhuǎn)速基本吻合。圖4（b）是磁感應(yīng)讀頭輸出的A路和B路弦波信號A和B，二者近似呈90°相位差，與設(shè)定指標(biāo)一致。圖4（c）是磁感應(yīng)讀頭輸出的Z路正反向弦波信號Z和/Z，二者相位差近似為180°，滿足設(shè)定指標(biāo);Z信號頻率為1Hz，與設(shè)定齒輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)一致。

通過對以上實驗結(jié)果分析可知，該編碼器的性能滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對齒輪轉(zhuǎn)速、方向、位置和圈數(shù)等的高精度測量。

4 結(jié)語

經(jīng)過實驗驗證，文中設(shè)計的基于缺齒結(jié)構(gòu)的齒輪型巨磁阻編碼器靈敏度高，精度高，可靠性好，并且無碼盤、磁環(huán)等部件，直接采用獨立的帶缺齒的硅鋼齒輪，防護(hù)等級高，抗振動沖擊能力強(qiáng)。解決了光電編碼器碼盤易碎、精度要求高，易受油污、粉塵影響等問題;以及克服了傳統(tǒng)一體式磁性編碼器磁環(huán)加工工藝復(fù)雜的缺點。產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)效率都得到了很大的提高，可廣泛應(yīng)用于在位置檢測、速度位置反饋控制，輸送設(shè)備位置反饋控制，電梯位置反饋控制和其他特殊設(shè)備應(yīng)用或較惡劣環(huán)境中。

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作者簡介：竇珂，（1987-），女，碩士，工程師，主要從事磁傳感器及磁補(bǔ)償技術(shù)的研究工作。